Разработка системы автоматического управления тепличным комплексом

Недостаток вихревых насосов — низкий кпд в данных условиях не имеет существ, значения в связи с кратковременным их использованием.Рассмотрим особенности использования (и перспективы использования) частотно-регулируемого привода (ЧРП) на примере процесса подпитки. Для обеспечения надежной работы тепловых сетей и местных систем необходимо ограничить возможные колебания давления в тепловой сети допустимыми пределами. Для поддержания требуемого уровня давлений в тепловой сети и местных системах в одной точке тепловой сети (а при сложных условиях рельефа - в нескольких точках) искусственно сохраняют постоянное давление при всех режимах работы сети и при статике с помощью подпиточного устройства.Точки, в которых давление поддерживается постоянным, называются нейтральными точками системы. Как правило, закрепление давления осуществляется на обратной линии. В этом случае нейтральная точка располагается в месте пересечения обратного пьезометра с линией статического давления, поддержание постоянного давления в нейтральной точке и восполнение утечки теплоносителя осуществляются подпиточными насосами ТЭЦ или РТС, КТС через автоматизированное подпиточное устройство. На линии подпитки устанавливаются автоматы-регуляторы, работающие по принципу регуляторов «после себя» и «до себя» (рис.3.1).Рис. 3.1. Принципиальная схема автоматизации подпитки тепловой сети на теплоисточнике:1 - сетевой насос; 2 - подпиточный насос; 3 - подогреватель сетевой воды; 4 - клапан регулятора подпиткиНапоры сетевых насосов Нс.н принимаются равными сумме гидравлических потерь напора (при максимальном - расчетном расходе воды): в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети, в системе абонента (включая вводы в здание), в бойлерной установке ТЭЦ, пиковых котлах ее или в котельной. На источниках теплоты должно быть не менее двух сетевых и двух подпиточных насосов, из которых - по одному резервному.Величина подпитки закрытых систем теплоснабжения принимается равной 0,25 % объема воды в трубопроводах тепловых сетей и в абонентских системах, присоединенных к теплосети, ч.При схемах с непосредственнымводоразбором величина подпитки принимается равной сумме расчетного расхода воды на ГВС и величины утечки в размере 0,25 % вместимости системы. Вместимость теплофикационных систем определяется по фактическим диаметрам и длинам трубопроводов или по укрупненным нормативам, м3/МВт (табл.3.1.).Табл.3.1Вместимость теплофикационных системРазводящие и внутриквартальные тепловые сети городов (до вводов в здания)10Тепловые сети поселков12Тепловые сети промышленных предприятий8Системы отопления жилых и общественных зданий25-33Системы вентиляции общественных зданий6,5Отопление и вентиляция цехов9 Сложившаяся по признаку собственности разобщенность в организации эксплуатации и управления системами теплоснабжения городов самым отрицательным образом сказывается как на техническом уровне их функционирования, так и на их экономической эффективности. Как правило, эксплуатацией каждой конкретной системы теплоснабжения занимается несколько организаций (подчас «дочерних» от основной). Однако специфика систем центрального отопления, в первую очередь тепловых сетей, определяется жесткой связью технологических процессов их функционирования, едиными гидравлическими и тепловыми режимами. Гидравлический режим системы теплоснабжения, являющийся определяющим фактором функционирования системы, по своей природе крайне неустойчив, что делает системы теплоснабжения трудноуправляемыми по сравнению с другими городскими инженерными системами (электро-, газо-, водоснабжение).Данный способ работы насосов является неэкономичным с точки зрения потребления электроэнергии. Кроме того, так называемый «прямой пуск» электродвигателя насоса сопровождается большими перегрузками (до 5 Iном), что ведет к преждевременному выходу электрооборудования из строя и тем самым повышенным затратам на поддержание электрооборудования технологического объекта в рабочем состоянии. Стандартным и наиболее широко применяющимся способом энергосбережения для данного случая является применение частотно-регулируемого электропривода (ЧРП).Технология частотного регулированияПринцип формирования экономии электроэнергии и расхода воды в случае применения ЧРП показан на рис. 3.2, на котором представлены характеристики совместной работы насоса и гидравлической сети.Рис. 3.2. Характеристика совместной работы насоса и гидравлической сетиПри номинальной расчетной производительности QH0M насос работает при номинальной частоте вращения f0 в точке "а" пересечения характеристики насоса (кривая 1) с гидравлической характеристикой сети (кривая 2). При этом в сети устанавливается номинальное давление, определяемое напором насоса Рном, расход воды у потребителя - QH0M, мощность, потребляемая насосом и определяемая по мощностной характеристике насоса (кривая 5) - NH0M.При снижении водопотребления гидравлическое сопротивление сети повышается, гидравлическая характеристика сети смещается (кривая 3), рабочая точка нерегулируемого насоса переходит в точку "b", соответствующую расходу Q1, с напором Р1. Насос работает с напором, избыточным на величину DP = Р1 - Рном. Мощность, потребляемая насосом, составляет N1.Ликвидация избыточного напора DP при работе насоса с регулируемым электроприводом достигается соответствующим снижением частоты вращения до величины f1. При этом характеристика насоса смещается до положения (кривая 4), при котором восстанавливаются номинальный напор насоса и требуемое давление в сети при измененной гидравлической характеристике сети (кривая 3).Насос работает в точке "с" с номинальным напором Рном, с производительностью Q2, обеспечивая экономию расхода воды DQ, и потребляет мощность N2.При изменении частоты вращения насоса в зависимости напора, расхода и мощности на валу насоса изменяются в соответствии со следующими соотношениями:Q1/Q2 = (f0/f1)k; P1/Pном= (f0/f1)n; N1/N2= (f0/f1)m;где f - частота вращения насоса,к, n, m - показатели степени, которые для характеристики центробежного насоса (вентилятора) при совпадении начала координат характеристик насоса и сети составляют к = 1, n = 2, m =3.Изменение (снижение) расхода воды и потребляемой мощности (электроэнергии) при работе с регулируемым электроприводом по сравнению с работой без регулирования частоты определяется вышеприведенными соотношениями. То есть потребляемая мощность снижается пропорционально изменению частоты вращения в третьей степени. Например, при работе с частотой вращения 0,8 от номинальной потребляемая мощность уменьшается вдвое.Показатели степени в принципе могут отличаться в зависимости от конкретных условий работы. В частности, исследования показали, что в водопроводных сетях с противодавлением зависимость потребляемой мощности насоса от частоты вращения еще выше и определяется не 3-й, а большей степенью, достигающей в отдельных случаях значения равного пяти.Показатели степени можно уточнять в каждом конкретном случае при проведении наладочных работ по методике, отработанной при внедрении регулируемых электроприводов на ЦТП г. Москвы в 1995 году.На рис. 3.3. представлены мощностные характеристики нерегулируемого и регулируемого приводов механизма с вентиляторной нагрузкой (насоса, вентилятора), полученные на основании вышеприведенных зависимостей.Рис.3.3На рис. 3.3 показано удельное энергопотребление при различных методах регулирования при переменном расходе. Кривая 1 показывает теоретическое энергопотребление в соответствии с базовыми характеристиками насоса; кривая 2 – решение с использованием преобразователя частоты типа HVAC; кривые 3 и 4 – двухскоростные двигатели (1/2, 1 и 2/3 скорости); кривая 5 – двигатель с фиксированной скоростью с входными направляющими лопатками (IGV); кривая 6 – двигатель с фиксированной скоростью и со сбрасывающей заслонкой.В любом случае наиболее оптимальным является решение с преобразователями частоты.При рассмотрении данного способа необходимо при выборе преобразователя частоты принимать во внимание характеристики электродвигателя (питающее напряжение, ток двигателя); кроме того, среди обилия данных устройств на рынке необходимо принимать во внимание характеристику привода. Принято выделять 2 характеристики (иногда говорят, 2 применения): так называемая вентиляторная нагрузка и общепромышленное исполнение. Для случая насосов необходимо выбирать преобразователя частоты с вентилляторной нагрузкой (которые являются более дешевым техническим средством по отношению к ЧРП с общепромышленным применением). Кроме того, необходимо принимать во внимание, что преобразователи частоты осуществляют негативное влияние на питающую электросеть. Для ликвидации подобного недостатка необходимо устанавливать сетевые дроссели. Кроме того, при значительной длине кабеля от преобразователя частоты до электродвигателя необходимо устанавливать так называемые дроссели двигателя (требования к граничным значениям длин приводятся в документации фирмы-производителя преобразователя частоты).В настоящее время на рынке представлена продукция следующих фирм: зарубежные производители (SchneiderElectric, Siemens, Danfoss);отечественные производители (Веспер, Триол, ВНИИР).Стандартной ошибкой при выборе преобразователя частоты является его выбор по мощности электродвигателя (а не по его току). Но зачастую в производстве применяются электродвигатели с невысокимcosφ и в этом случае выбор преобразователя частоты по мощности приведет к выбору устройства, не обеспечивающего номинальный ток электродвигателя, и, следовательно, не обеспечивающего номинальный момент электродвигателя.Применение САУ на объектах водоканалов показывает, что реализация энергосберегающих технологий перекачки чистых и сточных вод обеспечивает: экономию 5-15% (в отдельных случаях до 25-30%) электроэнергии, расходуемой на перекачку чистых и сточных вод;снижение расхода чистой воды на 3-7% за счет стабилизации давления в водопроводной сети и, соответственно, уменьшения утечек и непроизводительных расходов воды; уменьшение сброса сточных вод в канализацию на 2-4% за счет снижения утечек и непроизводительных расходов воды;сокращение строительных объемов зданий насосных станций на 15-20% за счет укрупнения единичной мощности насосных агрегатов и, соответственно, уменьшения их количества;уменьшение износа гидромеханического и электротехнического оборудования, благодаря сокращению количества пусков и остановок насосных агрегатов.уменьшение аварийно-восстановительных работ (на 13%, по данным ООО «Новогор-Прикамье» г. Пермь, в 2008 г.)Высокая эффективность работы насосной установки достигается лишь в том случае, если обеспечивается надлежащий технологический режим с помощью системы автоматического управления с регулируемым электроприводом (ПЧ), при этом разработке системы автоматического регулирования (САУ) должно предшествовать глубокое изучение технологического режима работы объекта; на этой основе принимаются основные технические решения и дается их технико-экономическое обоснование, подтверждающее техническую возможность и экономическую целесообразность применения насосной установкиОсуществим выбор нового электрооборудования. Для этого, исходя из номинального тока электродвигателя, осуществим выбор преобразователя частоты и соответствующей коммутационной аппаратуры. В качестве преобразователя частоты выберем продукцию фирмы Siemens, как широко представленную в настоящее время на рынке РФ.Для электродвигателей номиналом выше 7,5 кВт выберем преобразователи частоты Micromasterсерии 430.Преобразователь MICROMASTER 430 может использоваться для решения задач требующих применения приводов с изменяемыми скоростями вращения. Его гибкость обеспечивает широкий спектр применений. Более всего он подходит для приводов вентиляторов и насосов. Преобразователь отличается высокой производительностью и комфортабельным использованием. В преобразователе увеличено количество цифровых и аналоговых входов/выходов, по сравнению с MICROMASTER 420. Также к преобразователю поставляется (опционально) базовая панель оператора ВОР-2 с функцией выбора режимов ручной/автоматический. Программное обеспечение преобразователя оптимизировано для работы с приводами насосов и вентиляторов. КонструкцияMICROMASTER 430 имеет модульную конструкцию. Панель оператора и коммуникационные модули могут быть заменены без применения какого-либо инструмента. Основные характеристикипростойввод в эксплуатацию особогибкая конфигурация благодаря модульной конструкции шестьвстроенных, свободно параметрируемых цифровых входа двааналоговых входа (0 В … 10 В, 0 мA … 20 мA), может по выбору быть использован в качестве 7 и 8-го цифрового входа двааналоговых выхода (0 мA … 20 мA) трипараметрируемых релейных выхода (30 V DC/5 A, активная нагрузка, 250 V AC/2 A, индуктивная нагрузка) бесшумнаяработа двигателя благодаря высокой частоте ШИМ полнаязащита двигателя и преобразователя реализованрежим каскадного запуска трех дополнительных двигателей режимбайпас режимэнергосбережения функцияопределения «сухого хода» насоса  Принадлежности (обзор)дроссель коммутации сети выходные дроссели защитные кожухи BOP – базовый пульт управления (для программирования преобразователя) коммуникационные модули PROFIBUS DeviceNetмонтажный комплект PC -преобразователь монтажный комплект для встройки панели управления в дверь шкафа PC – программы запуска в среде Windows 95/98 и NT/2000/XP.   Механические параметрымодульное исполнение;рабочая температура: от –10 °C до +40 °C;компактный корпус благодаря высокой удельной мощности;простое подключение сетевых кабелей и кабелей двигателей для оптимальной монтажной совместимости;съемная панель управления;съемная управляющая клеммная колодка, без винтов. Силовые параметрыновейшая технология IGBT цифровое микропроцессорное управление прямое управление потоком двигателя (FCC) для улучшения динамических характеристик и оптимального управления двигателем V/f управление, с параметрируем начальным напряжением V/f управление квадратичное параметрируемая кривая зависимости V/f «подхват на ходу» компенсация скольжения автоматический повторный запуск при пропадании питания или нарушениях режима режим энергосбережения (остановка насоса, при работе на малых частотах) каскадный запуск (управление через выходные реле, включением и отключением дополнительных (до 3-х ) двигателей) функция выбора режимов: ручной/автоматический определение режима «сухого хода» насоса встроенный PID регулятор параметрируемое время разгона и торможения в пределах от 0 до 650 ссглаживание кривой пуска быстродействующеетокоограничение (FCL) для безаварийной работы быстродействующие цифровые входы точный ввод заданного значения благодаря 10-битному аналоговому входу комбинированное торможение для контролируемого останова 4 частоты пропускания против резонанса демонтируемый Y – конденсатор для использования в сети IT ( с изолированной нейтралью) (при работе в сетях с изолированной нейтралью “Y” конденсатор удаляется, и устанавливается выходной дроссель).  Защитные параметрыVT режим (переменная нагрузка)для приводов 7.5 кВт … 90 кВт1.4 xноминальный выходной ток в течении 3 сек. и 1.1 x номинальный выходной ток в течении 60 сек., каждые 300 сек.)перегрузочная способность защита от перенапряжения и пониженного напряжения защита от перегрева преобразователя защита двигателя с помощью подключения PTC терморезистора или KTY датчика защитное заземление защита от короткого замыкания тепловая защита по I2t защита от блокировки двигателя защита от опрокидывания защита от изменения параметров В качестве контакторов выберем контакторы серии Sirius 3RT10 фирмы Siemens, как отличающиеся большим ресурсом работы (до 2 млн циклов срабатывания).В данной схеме включение контактора, расположенного по входу преобразователя частоты происходит путем коммутации выходных контактов реле, установленного в пульте управления. Выдача напряжения на катушку реле происходит путем выдачи управляющего сигнала от центрального процессора в модуль дискретных выходных сигналов). При замыкании силовых контактов контактора на входных клеммах 1,3,5 преобразователя частоты присутствует, но на выходных клеммах 2,4,6 напряжения нет; таким образом, двигатель стоит. Подача напряжения на двигатель осуществляется преобразователем при наличии управляющего сигнала из системы управления по шине Profibus.Тепловое реле в данной схеме отсутствует, функции тепловой защиты выполняет преобразователь частоты.Описание работы с СистемойРассматриваемая теплица имеет два независимых друг от друга отсека: левый (1) и правый (2).Для системы управления климатом теплицы будем использовать следующие подсистемы:Система внутреннего отопления теплиц по контуруАвтоматизированное управление системой отопления позволяет поддерживать заданную температуру теплоносителя в каждом отдельном контуре, что способствует рациональному распределению тепла по всему объему теплиц, с целью экономного использования теплоресурсов и создания благоприятных условий для роста растения.Для поддержания постоянной температуры на объекте установлены электрокалориферы, которые нагревают воздух. Горячий воздух циркулирует по трубам, для получения обратной связи в трубах установлены датчики температуры.Система вентиляции в теплицахГазообмен воздуха в теплице играет определяющую роль в снабжении, как надземных частей растений, так и корневой системы углекислым газом, кислородом и своевременным удалением водяных паров, что способствует поддержанию активной транспирации растений. Для управления скоростью движения воздуха в теплицах, современные программы автоматического управления микроклимата взаимосвязаны с работой систем форточной и принудительной вентиляцией. Работа вентиляторов осуществляется в автоматическом режиме. В рассматриваемом объекте имеется два вентилятора: В1 (для левого отсека), В2 (для правого отсека).Включение вентиляторов осуществляется с мнемосхемы, сигнализция отображается цветом (зеленый – включен, серый – не включен, красный – авария двигателя).Система горизонтальных шторных экрановДля обеспечения оптимального температурно-влажностного режима и во избежание перегрева в теплицах, вызнанных солнечным излучением, кроме регулирования систем отопления и вентиляции используется горизонтальное зашторивание. Применение экрана снижает вероятность образования конденсата.Привод зашторивания – электрический, посредством соленоидных клапанов. Напряжение катушки управления 24В постоянного тока. Степень открытия определяется оператором. Рис. 3.4. Экран работы с СистемойРассмотрим процедуру создания человеко-машинного интерфейса разработанной системы.Для разработки проекта необходимо запустить среду разработки WinCC flexible.Затем выбрать условие, при котором выбрать проект Рис.3.5. Стартовый экран WinCC FlexibleВыбираем «Create an empty project».При последующем открытии в окне будет доступен для выбора созданный проектРис.3.6. Стартовый экран WinCCFlexiblecсозданным проектомДалее выбираем объект, для которого будет создаваться мнемосхема.Рис.3.7. Окно выбора панели отображенияВ результате появляется следующее окноРис.3.8. Экран создания интерфейсаВыбираем необходимые графические объекты из правой части экрана (меню tools, simple objects).Для привязки значений из контроллера типа Simatic (от датчиков температуры) выбираем в меню объекты типа «IO Field».В нижнем меню WinCC flexible есть подокно General. В данном окне указывается имя тега из контроллера, который отображается на панели. Указывается формат (кол-во знаков после запятой) для отображения информации.В данном проекте окнами для отображения информации из контроллера являются, например, сигналы с датчиков температурыОкна: «Задание температуры» служит для ввода значения температуры, которую нужно поддерживать. ЗаключениеВнедрениесистемыавтоматизациипозволитповыситьтехнологическиепоказателиработы,повысить общее качествовыпускаемой продукции засчетэффективногоуправлениятехнологическимипроцессамиспомощьюконтроллеровиприменениясовременнойизмерительнойтехники.В результате внедрения подобной системы автоматизации оптимизируются технологические параметры, стабилизируется управление технологической линией.Технические решения не только позволят достичь стабильно высоких технологических показателей работы, но и обеспечат качественно новый уровень управления, основанный на современных информационных технологиях.Список использованных источниковГОСТ 26.011-80. Средства измерения и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические, непрерывные, входные и выходные.ГОСТ Р 51840-2001. Программируемые контроллеры. Общие положения и функциональные характеристики.ГОСТ Р 51841-2001. Программируемые контроллеры. Общие технические требования и методы испытаний.МИ 2539-99 ГСИ. Измерительные каналы контроллеров, измерительно-вычислительных, управляющих, программно-технических комплексов. Общие требования к методике поверки.Денисенко В.В.Выбор аппаратных средств автоматизации опасных промышленных объектов // Современные технологии автоматизации, 2003. №4. – С.86-94Парр Э. Программируемые контроллеры: руководство для инженера. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 516 с.Петров И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования / под ред. В.П.Дьяконова. – М.:СОЛОН Пресс, 2004. – 256 с.Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. – М.:Техносфера, 2005. – 592 с.Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование. – М.:Энергоатомиздат, 1985. – 437 с.